專利名稱：一種制備GaN薄膜材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種降低氫化物氣相外延(HVPE)生長半導(dǎo)體材料GaN薄膜材料中應(yīng)力的方法以及工藝。尤其是高質(zhì)量低應(yīng)力GaN薄膜的方法。
背景技術(shù)：
以GaN及InGaN、AlGaN合金材料為主的III-V族氮化物材料(又稱GaN基材料)是近幾年來國際上倍受重視的新型半導(dǎo)體材料。GaN基材料是直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有I. 9-6. 2eV之間連續(xù)可變的直接帶隙，優(yōu)異的物理、化學(xué)穩(wěn)定性，高飽和電子漂移速度，高擊穿場強(qiáng)和高熱導(dǎo)率等優(yōu)越性能，在短波長半導(dǎo)體光電子器件和高頻、高壓、高溫微電子器件制備等方面具有重要的應(yīng)用，用于制造比如藍(lán)、紫、紫外波段發(fā)光器件、探測(cè)器件，高溫、高頻、高場大功率器件，場發(fā)射器件，抗輻射器件，壓電器件等。GaN基材料的生長有很多種方法，如金屬有機(jī)物氣相外延(M0CVD)、高溫高壓合成體GaN單晶、分子束外延(MBE)、升華法以及氫化物氣相外延(HVPE)等。由于GaN基材料本身物理性質(zhì)的限制，GaN體單晶的生長具有很大的困難，尚未實(shí)用化。氫化物氣相外延由于具有高的生長率和橫向-縱向外延比，可用于同質(zhì)外延生長自支撐GaN襯底，引起廣泛地重視和研究。早期人們主要采用氫化物氣相外延(HVPE)方法在藍(lán)寶石襯底上直接生長GaN基材料，再加以分離，獲得GaN襯底材料。此法的突出缺點(diǎn)是GaN外延層中位錯(cuò)密度很高，一般達(dá)IOiciCnT2左右。目前的主要方法是采用橫向外延、懸掛外延等方法，輔以HVPE高速率外延技術(shù)生長厚膜，最后將原襯底去除，從而獲得位錯(cuò)密度較低的自支撐GaN襯底材料。迄今為止，HVPE生長得到的自支撐GaN襯底，位錯(cuò)密度低于106cm_2，面積已經(jīng)達(dá)到2英寸。但是仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。由于GaN只能生長在異質(zhì)襯底如藍(lán)寶石、硅等襯底上，晶格失配和熱失配造成GaN薄膜內(nèi)部具有大的應(yīng)力，造成GaN基器件性能很難提高。另外，巨大的應(yīng)力會(huì)造成GaN厚膜 和異質(zhì)襯底裂成碎片，因而無法應(yīng)用。因此降低或者消除GaN厚膜中的應(yīng)力，是有效發(fā)揮GaN材料潛能的重要解決方法。本發(fā)明給出了降低氫化物氣相外延(HVPE)生長半導(dǎo)體材料GaN薄膜材料中應(yīng)力和獲得自支撐GaN襯底的方法以及工藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是因現(xiàn)有的GaN薄膜生長在異質(zhì)襯底如藍(lán)寶石等上面，晶格失配和熱失配會(huì)引起GaN薄膜中存在較大的應(yīng)力。應(yīng)力的存在會(huì)造成GaN基材料性能的降低。本發(fā)明提出降低氫化物氣相外延(HVPE)生長半導(dǎo)體材料GaN薄膜材料中應(yīng)力方法。本發(fā)明技術(shù)方案是制備高質(zhì)量低應(yīng)力GaN薄膜材料的方法，在GaN/藍(lán)寶石復(fù)合襯底上蒸鍍金屬鎳(Ni)薄膜，鎳(Ni)薄膜GaN/藍(lán)寶石復(fù)合襯底在高溫石英爐中進(jìn)行高溫退火處理溫度600-1000°C，時(shí)間5-60分鐘；氣氛為氨氣，流量100-5000毫升/分鐘；退火完成后迅速通入氮?dú)庖耘趴瞻睔?，待降溫到室溫后取出樣品；高溫退火在GaN/藍(lán)寶石復(fù)合襯底上得到納米Ni顆粒，然后采用電感耦合等離子體刻蝕(ICP)方式蝕刻未被Ni覆蓋的GaN/藍(lán)寶石復(fù)合襯底上的GaN，形成納米結(jié)構(gòu)的GaN/藍(lán)寶石復(fù)合襯底；
在此納米結(jié)構(gòu)復(fù)合襯底上進(jìn)行GaN的氫化物氣相外延(HVPE)生長得到低應(yīng)力高質(zhì)量的GaN薄膜或者自支撐GaN襯底材料。在退火氣氛和溫度控制的條件下進(jìn)行退火，得到不同尺寸大小的Ni顆粒。Ni金屬顆粒刻蝕速率比GaN刻蝕速率慢，從而刻蝕出GaN納米結(jié)構(gòu)(納米柱或者納米點(diǎn))。所述的納米結(jié)構(gòu)GaN/藍(lán)寶石復(fù)合襯底放在HVPE生長系統(tǒng)中進(jìn)行橫向外延生長，得到低應(yīng)力GaN薄膜。電感耦合等離子體刻蝕(ICP)腔體，對(duì)樣品進(jìn)行等離子體刻蝕。ICP參數(shù)為(12的氣體流量為IO-IOOcmVmin; BCl3的氣體流量為1_50 cm3/min;射頻功率和ICP功率分別為50-300W和100-500W，壓強(qiáng)為1E-09 Pa量級(jí)；刻蝕時(shí)間50-1000S。 高質(zhì)量低應(yīng)力GaN薄膜?？刂艻CP刻蝕得到的納米結(jié)構(gòu)GaN的分布和尺度，也可以實(shí)現(xiàn)GaN薄膜和藍(lán)寶石之間的自分離，從而獲得低應(yīng)力自支撐GaN襯底材料。在降溫后實(shí)現(xiàn)GaN厚膜從藍(lán)寶石上面的分離，得到高質(zhì)量低應(yīng)力的GaN襯底材料。本發(fā)明有益效果是給出了一種降低氫化物氣相外延(HVPE)生長半導(dǎo)體材料GaN薄膜材料中應(yīng)力的方法以及工藝。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例照片示意圖，鍍金屬Ni薄膜退火后形成的納米Ni顆粒形貌。氨氣氣氛，800度，氨氣流量800毫升/分鐘。圖2為本發(fā)明實(shí)施例照片示意圖，是圖I中的樣品在ICP刻蝕后形成的GaN納米結(jié)構(gòu)形貌。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明方法和工藝包括幾個(gè)部分金屬Ni薄膜在GaN/藍(lán)寶石復(fù)合襯底上的物理氣相沉積；金屬Ni薄膜的氣氛退火處理；電感耦合等離子體刻蝕GaN/藍(lán)寶石復(fù)合襯底；GaN薄膜的HVPE再生長。金屬Ni薄膜的厚度和退火后Ni顆粒的大小，視GaN納米結(jié)構(gòu)的長度尺寸定。較厚的Ni薄膜和較大的Ni顆粒，有助于獲得縱向和橫向尺寸較長和較粗的GaN納米結(jié)構(gòu)。本發(fā)明技實(shí)施方式之一，制備低應(yīng)力GaN薄膜，包括下面幾步
I、GaN/藍(lán)寶石復(fù)合襯底的清洗和處理。2、GaN/藍(lán)寶石復(fù)合襯底放入物理氣相沉積裝置反應(yīng)腔內(nèi)，在一定反應(yīng)腔體壓力和金屬源溫度下，即可開始金屬Ni薄膜的蒸鍍。Ni薄膜沉積速率設(shè)置約為1-2埃/秒，Ni納米薄膜厚度5-50nm。3、將步驟2中的樣品放入高溫石英爐中進(jìn)行高溫退火處理。參數(shù)溫度600-1000°C，時(shí)間5-60分鐘；氣氛為氨氣，流量100-5000毫升/分鐘?？涛g完成后迅速通入氮?dú)庖耘趴瞻睔?，待降溫到室溫后取出樣品?4、將步驟3中的樣品清洗后，放入電感耦合等離子體刻蝕(ICP)腔體，對(duì)樣品進(jìn)行等離子體刻蝕。ICP參數(shù)為=Cl2的氣體流量為IO-IOOcm3Aiin; BCl3的氣體流量為1_50cmVmin;射頻功率和ICP功率分別為50-300W和100-500W，壓強(qiáng)為1E-09 Pa量級(jí)；刻蝕時(shí)間 50-1000S。5、將步驟4中的樣品清洗后，放入氫化物氣相外延設(shè)備中，進(jìn)行HVPE橫向外延生長GaN。具體參數(shù)可參考專利ZL021113084. I橫向外延技術(shù)生長高質(zhì)量氮化鎵薄膜。6、將步驟5中樣品取出，即獲得高質(zhì)量低應(yīng)力GaN薄膜材料。 7、控制步驟2-5中的參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)GaN薄膜和藍(lán)寶石之間的分離，從而獲得自支撐低應(yīng)力GaN襯底材料。
權(quán)利要求
1.一種制備GaN薄膜材料的方法，其特征是在GaN/藍(lán)寶石復(fù)合襯底上蒸鍍金屬鎳(Ni)薄膜，退火得到納米Ni顆粒，然后采用電感耦合等離子體刻蝕(ICP)方式蝕刻未被Ni覆蓋的GaN/藍(lán)寶石復(fù)合襯底上的GaN，形成納米結(jié)構(gòu)的GaN/藍(lán)寶石復(fù)合襯底；在此納米結(jié)構(gòu)復(fù)合襯底上進(jìn)行GaN的氫化物氣相外延(HVPE)生長得到低應(yīng)力高質(zhì)量的GaN薄膜或者自支撐GaN襯底材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備GaN薄膜材料的方法，其特征是金屬Ni退火成納米Ni顆粒時(shí)，在特定氣氛、特定溫度下進(jìn)行退火，得到不同尺寸大小的Ni顆粒。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備GaN薄膜材料的方法，其特征是電感耦合等離子體(ICP)刻蝕GaN工藝中，Ni金屬顆粒刻蝕速率比GaN刻蝕速率慢，從而刻蝕出納米柱或者納米點(diǎn)的GaN納米結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3之一所述的制備GaN薄膜材料的方法，其特征是氫化物氣相外延生長進(jìn)行橫向外延生長的工藝中，將納米結(jié)構(gòu)的GaN/藍(lán)寶石復(fù)合襯底放在HVPE生長系統(tǒng)中進(jìn)行橫向外延生長，得到低應(yīng)力GaN薄膜。
全文摘要
制備GaN薄膜材料的方法，在GaN/藍(lán)寶石復(fù)合襯底上蒸鍍金屬鎳(Ni)薄膜，退火得到納米Ni顆粒，然后采用電感耦合等離子體刻蝕(ICP)方式蝕刻未被Ni覆蓋的GaN/藍(lán)寶石復(fù)合襯底上的GaN，形成納米結(jié)構(gòu)的GaN/藍(lán)寶石復(fù)合襯底。在此納米結(jié)構(gòu)復(fù)合襯底上進(jìn)行GaN的氫化物氣相外延(HVPE)生長得到低應(yīng)力高質(zhì)量的GaN薄膜或者自支撐GaN襯底材料。本發(fā)明獲得低應(yīng)力高質(zhì)量GaN薄膜材料。
文檔編號(hào)C30B25/16GK102828240SQ20121031695
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月31日
發(fā)明者修向前, 華雪梅, 林增欽, 張士英, 謝自力, 張 榮, 韓平, 陸海, 顧書林, 施毅, 鄭有炓 申請(qǐng)人:南京大學(xué)